地下工程抗浮锚杆设计探讨

所属栏目：建筑设计论文
发布时间：2011-10-02 20:40:45  更新时间：2011-10-02 20:46:44

地下工程抗浮锚杆设计探讨
许开军

摘要：抗浮锚杆是针对地下工程抗浮问题的一种竖向锚固技术，主要特点是通过结构物以下岩土体的锚固力来提供所需要的抗浮力，与一般锚杆一样，根据土层特点可将其分为岩层锚杆、土层锚杆、岩土层混合型锚杆，由于现有规范没有对抗浮锚杆设计和施工提出具体的要求，且对于抗浮锚杆的基本试验及验收试验没有明确界限的规定，使得抗浮锚杆工程在设计、施工到最后竣工验收各个环节当中没有统一的标准作为依据。本文结合深圳地区几个具体工程的抗浮锚杆工程实例，通过对抗浮锚杆设计、抗浮锚杆基本试验、抗浮锚杆施工、抗浮锚杆验收试验各个环节的分析总结，提出了自己的见解，为类似抗浮锚杆工程的设计提供了参考依据。
关键词：抗浮锚杆；基本试验；抗浮锚杆设计

1概述
随着城市发展对空间利用的要求，越来越多的城市建设向地下空间发展，在地下水位较高地区，地下工程的抗浮问题成为了一个不可忽视的问题，现有的很多建筑由于设计抗浮考虑不足等原因，造成了施工过程中或后期正常使用过程中上浮的问题，给建筑物的正常使用带了不利的影响。
地下室抗浮设计根据工程不同阶段的需要，可分为施工期间的抗浮和正常使用阶段的抗浮设计。施工期间抗浮设计问题一般是由于施工期间地下水位较高，在地下工程结构底板封闭之后，地下结构未施工完毕，结构自重无法抵抗地下水上浮力引起的上浮问题，正常使用阶段抗浮设计属于永久抗浮设计，该抗浮设计问题主要是由于地下结构埋深较大，抗浮设计地下水位线埋深较浅，施工完毕的结构自重本身无法抵抗地下水对结构的浮力产生的抗浮问题，这两种不同的抗浮设计通常采用的方法有：（1）盲沟排水法：即在构筑物周围及基底事先设置降水盲沟及集水井对地下水水位进行人为降低，使水位线低于警戒抗浮水位线，这种方法实用简单。同样该方法也可用于正常使用阶段的抗浮设计，但由于该方法需要设置大量盲沟及抽排水设备，尤其对于中大型项目，会给工程后期使用维护带来一定的困难，因此该方法用于临时施工期间抗浮较为实用，对于永久性抗浮有一定的局限性。（2）增加自重法：该方法是通过加重、加厚基础、底板，或在施工过程中在底板或基础上堆放较重材料或砂包，使地下结构自重或负重始终大于地下水对构筑物所产生的浮力，确保地下结构不上浮，该方法施工及设计较简单，可与盲沟排水法配合使用，但当需要抵抗浮力较大时，需要增加大量材料或加大基础及底板配重，费用增加多，且相对降低了地下空间的利用率。（3）抗拔桩或抗浮锚杆加固法：即在地基下设置一定数量的抗拔桩或抗浮锚杆来提供较大的抗拔力，将基础与地基连在一起，起到抗浮作用，这两种形式的抗浮结构均属于永久性隐蔽结构，减少了日常的维护管理，且设计及施工日渐成熟，已经在工程中得到越来越广泛的应用。抗拔桩在建筑桩基规范中已经有较为详细的介绍，而对于抗浮锚杆现有规范则缺少专门的规范参考，本文结合深圳市地区抗浮设计案例对正常使用永久抗浮锚杆设计进行总结，供广大岩土工作者参考。
2 抗浮锚杆设计的内容
2.1抗浮锚杆杆体的设计
2.1.1抗浮锚杆轴向拉力设计值的确定
可根据如下公式进行计算：
（1）
式中： 为抗浮锚杆设计拉力；H为设计抗浮水位；G为设计结构自重； 为水容重；L、B为抗浮锚杆横纵间距。
2.1.2抗浮锚杆锚筋截面面积的确定
（2）
式中： 为锚杆杆体抗拉安全系数，锚筋为钢筋时取1.6，锚筋为钢绞线时取1.8； 为钢筋、钢绞线抗拉强度标准值。
2.2抗浮锚杆的锚固长度设计
对于永久性锚杆，根据《土层锚杆设计与施工规范》及《岩土锚杆（索）技术规程》（以下将两本规范简称“锚杆规程”），锚固段不应设置在下列地层中：① 有机质土、淤泥质土；② 液限WL>50％的土；③ 相对密度Dr<0.3的土。在抗浮锚杆杆体强度满足设计要求的前提下，抗浮锚杆锚固长度的确定需要对比计算设计锚固力条件下，锚杆杆体与水泥浆锚固长度与锚固体与土层的锚杆长度，取大值；
（3）
（4）
（5）
式中：
K锚杆锚固体的抗拔安全系数取2.0；
Nt锚杆轴向拉力设计值（kN）；
La锚杆锚固长度（m）；
fmg锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值（kPa）；fms锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值（kPa）；D锚杆锚固段的有效钻孔直径（mm）；
d钢筋或钢绞线的直径（mm）；
ξ采用2根或2根以上钢筋或钢绞线时，界面的粘结强度降低系数，取0.6～0.85；
锚固长度对粘结强度的影响系数；n钢筋或钢绞线根数。
公式（3）（5）及相关参数说明及取值参考“锚杆规程”，另外由于抗浮锚杆属于永久性基础锚杆，因此设计还需要满足《建筑地基基础设计规范》相关规定，公式（4）即参考该规范相关设计要求。
2.3抗浮锚杆设计中的几个问题
2.3.1锚杆安全系数分 （锚杆杆体抗拉安全系数）与K（锚杆锚固体的抗拔安全系数），在《建筑地基基础设计规范》里面对于抗浮锚杆的杆体材料设计没有做出明确的要求，且设计中采用的“锚杆规范”规定亦不统一，考虑到锚杆杆体材料离散性小，岩土层参数离散性大，故按照不同的安全系数控制抗浮锚杆的设计，是经济合理可行的。
2.3.2对于抗浮锚杆的基本试验与验收试验，《建筑地基基础设计规范》国家规范及广东省规范以及广东省标准《建筑地基基础检测规范》（将以上三本规范统称为“地基规范”）均没有作区别性说明，基本试验（即破坏性试验）与验收试验目的是不同的，对于抗浮锚杆的基本试验，主要是用来校核岩土层参数、施工工艺等重要参数，是为了指导设计，其最大试验荷载取值应不小于设计锚固力的2.0倍，作为基本试验的锚杆杆体材料极限承载力不宜小于设计锚固力的2.5倍（主要目的是保证基本试验过程中杆体不破坏）；对于抗浮锚杆的验收试验，主要目的是为了检验施工质量是否达到设计要求，因此验收试验最大荷载可参考按照“锚杆规范”相关规定进行，最大试验荷载取抗浮锚杆轴向设计拉力值的1.5倍，而按照“地基规范”规定的最大试验荷载不小于轴向设计拉力值的2.0倍，显然后者的规定不是很经济合理。
故对于抗浮锚杆设计，宜按照基本试验及验收试验进行区别说明，选取不同的最大试验荷载控制值。
2.3.2对于锚杆验收试验的数量，各个规范要求不一，“锚杆规范”要求验收试验的锚杆数量不得少于锚杆总数的5%，且不得少于3根，《建筑地基基础设计规范》国家规范要求试验的锚杆数量不得少于锚杆总数的3%，且不得少于6根，《建筑地基基础设计规范》广东省标准要求试验的锚杆数量不得少于锚杆总数的5%，且不得少于6根。对于抗浮锚杆的验收试验数量可结合具体工程规模、重要性、地区经验及地区规范要求等进行选取。
2.3.4对于抗浮锚杆试验的破坏标准，“锚杆规范”做了以下规定：（1）后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生位移增量的2倍；（2）锚头位移不收敛；（3）锚头总位移超过设计允许位移值。满足以上条件之一即视为锚杆破坏，且没有区分土层与岩层锚杆。而“地基规范”单独对岩石锚杆的破坏进行了规定：（1）对于锚杆拔升量持续增长，且在1小时时间范围内未出现稳定的迹象；（2）新增加的上拔力无法施加，或者施加后无法使上拔力保持稳定；（3）锚杆的钢筋已被拔断，或者锚杆锚筋被拔出。满足以上条件之一即视为锚杆破坏。在实际进行锚杆试验及验收试验过程中，以上控制标准有些显得过于严格，并且缺乏对实际工程抗浮的允许结构位移控制要求说明。本文将结合实际锚杆基本试验数据进行分析说明。
3抗浮锚杆工程实例介绍
3.1实例一：深圳某金融中心抗浮锚杆工程
该工程地下室层数4层，勘察报告所要求设计抗浮水位为17.4m至18.6m，结合结构自重，地下室永久抗浮锚杆单根设计抗拔力为400kN，结合各个区域不同设计抗浮水位及相应结构自重，抗浮锚杆布置间距为2.0m*2.0m至2.7m*2.7m。
 

表1：锚杆长度及地层参数表（实例一）
锚杆长度（m） 试验数量 进入地层深度情况 设计抗拔力（kN） 备注
12.80 2 0-6.10为全风化；6.10-10.70为强风化；10.70-12.0为中风化；12.0-12.8为微风化 400 岩土层粘结强度标准值取值如下：花岗岩全风化层80kPa；花岗岩强风化层140kPa；花岗岩中风化层700kPa；花岗岩微风化层：1060kPa；土层钻孔孔径不小于150mm，岩层钻孔孔径不小于130mm（参数根据相关勘察报告取值）
12.05 2 0-6.50为全风化；6.50-10.44为强风化；10.44-11.25为中风化；11.25-12.05为微风化 400
13.04 2 0-7.20为全风化；7.20-11.60为强风化；11.60-12.50为中风化；12.50-13.40为微风化 400

表2：锚杆抗拔力试验结果表（实例一）
编号 试1锚杆12.8m 试2锚杆12.8m 试3锚杆12.05m 试4锚杆12.05m 试5锚杆13.04m 试6锚杆13.04m
荷载（kN） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm）
40.00 0.18 0.11 0.08 0.10 0.09 0.12
100.00 0.35 0.26 0.12 0.16 1.12 1.10
200.00 0.76 0.66 0.41 0.54 3.22 3.14
300.00 1.31 1.18 1.16 1.40 5.21 5.24
400.00 2.02 1.80 2.23 2.72 7.18 7.21
500.00 2.66 2.49 3.37 3.70 7.85 8.35
600.00 4.07 4.06 4.82 5.37 8.71 9.21
700.00 6.24 6.37 6.86 7.84 9.00 9.68
800.00 8.32 9.45 8.72 9.83 9.32 10.39
900.00 15.46（破坏） 16.19（破坏） 14.06（破坏） 15.97（破坏） 12.93（破坏） 14.87（破坏）

从锚杆抗拔力试验结果可以看出，试验1至6号锚杆锚头位移在荷载200kN下的位移增量已经超过荷载100kN下位移增量的2倍，试验1与2号锚杆锚头位移在荷载600kN下的位移增量已经超过荷载500kN下位移增量的2倍，试验4号锚杆锚头位移在荷载300kN下的位移增量已经超过荷载200kN下位移增量的2倍，根据“锚杆规范”相关规定，判定锚杆已近破坏，显然该规定不合理，不应参照执行。
借鉴我国《地下防水工程质量验收规范》相关规定要求：防水混凝土的不贯通裂缝宽度不大于0.2mm，因此，对于永久性抗浮锚杆设计，其试验过程应重点以位移作为控制要求，同时设计抗拔力取值宜按照结构允许位移及结构裂缝控制要求进行抗拔力设计。另外，根据该抗拔试验可知，设计抗拔力（400kN）大小下，抗浮锚杆总位移在1.8mm至7.21mm之间不等，其前一级荷载（300kN）位移总量已经超过设计抗拔力（400kN）位移总量的50%，因此为控制结构位移，建议对抗浮锚杆施加预应力，预应力施加大小可参考相关规范，按照设计抗拔力的60%至80%控制，考虑后期预应力的损失，其预应力控制大小可适当增大。

3.2实例二：深圳某大厦地下室抗浮锚杆工程
该工程抗浮锚杆布置为2.5m*2.5m，单根抗浮锚杆设计抗拔力为280kN，地层情况及锚杆抗拔力试验结果如表所示：
 

表3：锚杆长度及地层参数表（实例二）
锚杆长度（m） 试验数量 进入地层深度情况 设计抗拔力（kN） 备注
16.00 1 0-10.0为砾质粘性土；10.0-11.0为花岗岩全风化；10.1-16.0为花岗岩强风化 280 岩土层粘结强度标准值取值如下：砾质粘性土层70kPa；花岗岩全风化层90kPa；花岗岩强风化层150kPa，钻孔孔径不小于150mm（参数根据相关勘察报告取值）
18.00 1 0-8.0为砾质粘性土；8.0-17.0为花岗岩全风化；17.0-18.0为花岗岩强风化 280
20.00 2 0-13.0为砾质粘性土，局部存在砾砂层夹层；13.0-20.0为花岗岩全风化 280
22.00 2 0-22.0为砾质粘性土，局部存在砾砂层夹层 280

表4：锚杆试验结果表（实例二）
编号 35#锚杆(16m) 72#锚杆(18m) 124#锚杆(20m) 158#锚杆(20m) 259#锚杆(22m) 261#锚杆（22m)
荷载（kN） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm） 总位移量（mm）
56.00 0.96 1.05 0.42 0.61 0.83 0.70
112.00 2.44 2.24 1.92 2.24 1.87 1.69
168.00 3.64 3.38 2.82 3.10 3.50 3.31
224.00 5.10 4.62 4.41 4.37 5.85 5.62
280.00 6.44 6.32 5.46 5.93 27.14 11.37
336.00 7.73 7.65 6.77 7.36 58.21 90.26
392.00 8.91 9.42 9.13 9.77 　 　
448.00 10.29 11.16 12.95 19.49 　 　
504.00 12.30 13.33 26.34 31.28 　 　
560.00 14.46 15.32 38.21 44.40 　 　

从该工程锚杆试验结果可以看出，抗浮锚杆承载力大小差别很大，锚入风化岩层内的抗浮锚杆抗拔力明显大于完全锚固于土层中的抗浮锚杆，土层中的锚杆抗拔力仅为设计值的一半，严重与勘察报告及地区经验相违背。经过对该情况的分析，得出如下几点经验：（1）抗浮锚杆施工宜采用钻也锚杆钻机套管跟进钻进，避免采用地质钻机施工，尤其土层中垂直向抗浮锚杆施工，由于存在清孔难度及清孔中塌孔的现象，使得锚杆施工质量受很大影响，从而使设计抗拔力大大减小；（2）锚杆注浆宜采用套管内注浆进行施工，注浆采用二次注浆，二次注浆有效压力不宜低于3.5MPa，且宜根据基本试验来确定，必要时可增大二次注浆压力以达到增加注浆体包裹体直径的目的；（3）对于土层锚杆宜采用大直径钻孔，达到同等设计锚固力条件下减小锚杆长度的目的，从而减小清孔难度，保证施工质量。
4总结
本文对抗浮锚杆设计做了较为详细的介绍，同时根据现有规范，结合具体工程实例，对规范中不合理之处做了说明，现总结如下几点经验供大家学习交流：
1、抗浮锚杆设计应以基本试验为依据，校核地层参数及施工工艺；
2、设计中尤其应注重土层抗浮锚杆的设计，控制施工中的不利因素，保证有效设计抗拔力大小；
3、为保证结构的有效使用，建议对抗浮锚杆施加预应力，预应力施加大小应结合锚杆试验位移情况及结构所允许的位移进行综合控制，目前对于该位移控制没有明确的说法，但是从工程实践中来看，对位移的控制是很有必要的，建议按照如下流程进行设计控制，首先根据基本试验位移大小情况确定不同荷载条件下的大致位移，其次根据锚杆布设间距，结构位移以及裂缝控制来综合考虑，最后确定有效的设计抗拔力大小；
4、对于锚杆布设间距，应遵循一般规范要求的避免“群锚”效应，抗浮锚杆间距应大于1．5m 且大于锚杆锚固段最大直径的4倍；
5、抗浮锚杆施工应注意对成孔、清孔、注浆等主要施工工艺的控制，由于锚杆施工质量的不确定性因素很多，因此在锚杆验收试验中验收数量应结合岩土条件、施工水平、工程重要性及抗浮锚杆设计抗拔力大小进行综合考虑选取。

参考文献：
[1] 《土层锚杆设计与施工规范》(CECE22：90)
[2] 《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS 22：2005）
[3] 《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）
[4] 《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31-2003）广东省标准
[5] 《建筑地基基础检测规范》（DBJ 15-60-2008）广东省标准
[6] 《地下防水工程质量验收规范》(GB50208—2002)
[7] 某金融中心地下室抗浮锚杆工程抗浮锚杆抗拔力基本试验结果
[8] 某大厦二期基础工程基础锚杆抗拔试验结果